Les sous-marins sont des embarcations sous-marines autopropulsées qui sont conçues et construites pour effectuer des opérations sous-marines pendant une durée stipulée. La conception d’un sous-marin consiste en un système à simple ou double coque qui abrite tous les systèmes et la main-d’œuvre nécessaires à l’accomplissement de leur mission.

Ceci, cependant, est une description très simple d’un produit d’ingénierie très complexe, qui sont utilisés pour un large éventail de fins telles que la recherche sous-marine, le sauvetage sous-marin, et la guerre sous-marine ; le dernier étant le plus largement utilisé.

Dans cette série d’articles, nous allons étudier la conception des sous-marins navals. Dans les premiers articles de cette série, nous n’entrerons pas dans le processus de conception, nous nous familiariserons plutôt avec la conception et les fonctionnalités d’un sous-marin, ses parties, sa disposition générale, la conception et la disposition structurelle, la stabilité d’un sous-marin, les systèmes utilisés dans un sous-marin, etc.

Une fois que nous avons examiné ces éléments, il serait facile pour nous d’aborder le processus de conception des sous-marins. Bien que le processus de conception suivi par toutes les marines soit confidentiel et différent les uns des autres, les bases restent toujours les mêmes.

Les principaux objectifs de conception des sous-marins sont :

• Le sous-marin doit répondre à l’objectif fonctionnel du client.
• La conception doit pouvoir être construite avec les ressources disponibles.
• Le coût du projet doit être acceptable pour le client.

Parties d’un sous-marin

Coque extérieure et coque de pression:

La plupart des conceptions de sous-marins ont deux coques. La coque qui abrite tous les espaces d’hébergement, les armes, les systèmes de contrôle des armes, la salle de communication et de contrôle, les bancs de batteries, les machines principales et auxiliaires, est la coque pressurisée. Elle est appelée coque de pression parce qu’elle est conçue pour résister à la pression hydrostatique à la profondeur maximale exploitable du sous-marin.

La coque de pression est logée à l’intérieur de la coque extérieure, qui n’est pas étanche à la pression. Pourquoi ? Parce que, en condition d’immersion, les espaces entre la coque extérieure et la coque intérieure restent toujours inondés d’eau de mer. Par conséquent, la pression hydrostatique sur la coque extérieure est négligeable.

Réservoirs de ballast principal (MBT):

Maintenant, les espaces « inondables » sont compartimentés en réservoirs, qui, dans la terminologie sous-marine, sont appelés réservoirs de ballast principal. La répartition des réservoirs de ballast principal dans un sous-marin dépend de la forme et de l’interaction de la coque extérieure et de la coque de pression.

Nous comprendrons le fonctionnement des MBT après avoir traité le processus d’immersion d’un sous-marin, et la stabilité du sous-marin. Certaines conceptions ont des MBT seulement aux régions avant et arrière, et le reste de la coque de pression est affleurant avec la coque extérieure.

D’autres conceptions ont une coque extérieure et une coque de pression complètement différentes, avec un espace pour le ballast entre elles. Certains arrangements de MBT sont illustrés dans les figures ci-dessous.

Voile ou aileron de pont:

La voile est la partie profilée de forme non résistante à la pression du sous-marin au-dessus de la coque extérieure. Ses différents types de mâts qui sont déployés à partir de l’intérieur du sous-marin lorsque le tuba ou la voile se trouve juste sous la surface libre.

Les différents mâts utilisés dans un sous-marin sont le mât de périscope, le mât de communication, le mât de radar, le mât de capteur d’armement, etc. Ils sont levés depuis l’aileron de passerelle lorsque le sous-marin doit surveiller la surface en mode furtif. La figure 7 montre la voile dans un sous-marin lorsque les mâts ne sont pas déployés.

Le profil de l’aileron de pont dans une conception de sous-marin est toujours une forme aérodynamique, car il agit comme un hydrofoil avec les voiles du sous-marin avec juste l’aileron au-dessus de l’eau. Cette forme réduit la traînée du sous-marin. Il est très important de garder la traînée dans des limites car elle empêche les tourbillons et par la suite, minimise la signature acoustique du sous-marin.

Surfaces de contrôle:

Lorsque le sous-marin est en condition immergée, les changements de direction et de profondeur sont effectués par l’utilisation d’hydroplanes qui agissent comme des surfaces de contrôle. Pour comprendre l’application des hydroplanes, nous devons d’abord connaître la nature des mouvements subis par un sous-marin en condition immergée.

Contrairement à un navire de surface, les sous-marins sont soumis à des mouvements de soulèvement et de tangage moindres en raison de l’absence d’effets de vagues de surface. Une paire d’hydroplanes ou d’ailerons à l’avant et à l’arrière sont utilisés pour contrôler indépendamment le pilonnement et le tangage. Les hydroplanes ou ailerons sont représentés sur la figure 8.

Deux hydroplanes montés à l’arrière dans le plan vertical sont utilisés pour changer la direction latérale du sous-marin en mouvement. Ils sont essentiellement appelés gouvernails. Notez bien que contrairement aux navires, les gouvernails d’un sous-marin sont à l’avant de l’hélice.

Pourquoi ? Parce que dans le cas d’un navire, le gouvernail a besoin de l’écoulement de l’hélice pour une efficacité maximale de la portance. Mais dans un sous-marin, puisque toute la coque est immergée, un écoulement profilé non perturbé est incident sur la surface du gouvernail.

Si le gouvernail du sous-marin était placé à l’arrière de l’hélice, l’écoulement sur le gouvernail serait plus turbulent, augmentant la probabilité de cavitation.

Une chose importante à noter est que les hydroplanes ne fonctionnent à une efficacité optimale qu’à des vitesses élevées.

Aménagement général d’un sous-marin

Avant de passer à la connaissance du fonctionnement et des fonctions des différents systèmes d’un sous-marin, il est vital de connaître la distribution spatiale des principaux compartiments et systèmes sur la longueur et la largeur de la coque. Ceci sera mieux compris si l’on se réfère à la figure 9.

La coque de pression et la coque extérieure se distinguent clairement dans la figure ci-dessus de la conception du sous-marin. La partie avant de la coque sous pression abrite les systèmes d’armes et les capteurs. Les capteurs sont généralement logés dans l’espace inondé entre l’avant de la coque sous pression et la coque extérieure.

Les capteurs sont toujours placés à l’avant pour réduire le bruit du flux turbulent à l’arrière et l’obstruction des machines en cas de position à l’arrière. Le système d’armement comprend les tubes lance-torpilles qui abritent les torpilles, le système de lancement des torpilles et les réservoirs de fonctionnement des torpilles.

La partie la plus avant de la coque sous pression sert à stocker les armes. Elles sont chargées dans les tubes lance-torpilles qui sont situés partiellement à l’intérieur dans la coque sous pression et s’étendent jusqu’à la périphérie la plus avant de la coque extérieure.

La partie centrale de la coque sous pression est utilisée aux fins suivantes :

• Systèmes de contrôle du navire et des armes : Tous les systèmes du sous-marin sont commandés à distance depuis le centre de contrôle du navire et des armes. Ce compartiment abrite tous les systèmes de contrôle de la navigation, les systèmes de tir d’armes, les panneaux de commande et de surveillance des machines, le système de plongée et de remontée à la surface, le système de contrôle de la direction, etc. Toutes les communications entre l’équipage du sous-marin et la base navale ou toute autre source externe de données sont effectuées à partir de ce compartiment. Les sous-marins d’aujourd’hui sont automatisés à un tel point, que toutes les opérations sur un sous-marin pendant les patrouilles normales et les missions de guerre peuvent être effectuées à partir de ce compartiment, sans qu’aucun équipage ne doive être présent nulle part en dehors de la salle de contrôle.

• Logement et soutien de vie : Les modules d’hébergement, les modules de toilettes, la cuisine, les chambres froides et froides sont placés au niveau du compartiment médian de la coque sous pression. Ce positionnement est non seulement avantageux sur le plan fonctionnel, mais il permet également d’accéder facilement aux parties avant et arrière du sous-marin. Comme cette position est également sous la voile, elle rend l’évasion la plus possible pour l’équipage dans des conditions d’urgence.

• Banc de batteries : La source d’énergie d’un sous-marin diesel est constituée de piles à hydrogène. Celles-ci sont chargées par des alternateurs diesel. Les batteries comprenant des unités de piles à hydrogène sont empilées en réseaux et placées dans un compartiment appelé le banc de batteries. En général, un sous-marin possède un banc de batteries dans plusieurs compartiments étanches pour des raisons de redondance. Chaque banc de batteries a une capacité suffisante pour supporter toutes les opérations du sous-marin pendant sa période d’endurance. La ventilation et l’élimination de l’hydrogène du compartiment des batteries sont une priorité absolue, car toute présence d’hydrogène dans le compartiment peut entraîner des explosions.

• Machines et machines auxiliaires : Les machines principales et auxiliaires contribuent à environ un tiers du poids du sous-marin. La machinerie principale comprend les principaux alternateurs diesel qui servent à charger les batteries et ses systèmes associés, l’installation de climatisation, le système principal d’air à haute pression, etc. Le compartiment des machines auxiliaires est séparé du compartiment des machines principales par une cloison étanche. Le compartiment des machines auxiliaires est séparé du compartiment des machines principales par une cloison étanche. Le moteur électrique auxiliaire ou économique, l’installation de climatisation auxiliaire, le système d’air haute pression auxiliaire, etc. sont logés dans le compartiment des machines auxiliaires. Les alternateurs diesel servent à charger les batteries, qui alimentent à leur tour les moteurs électriques de propulsion principaux et auxiliaires.

• Compartiment de propulsion : Situé à l’arrière de la coque sous pression, ce compartiment abrite le moteur de propulsion électrique principal, l’arbre de propulsion principal et ses systèmes associés, l’arbre de queue, ainsi que les presse-étoupes avant et arrière qui sont utilisés pour obtenir l’étanchéité à l’eau au niveau des ouvertures de la coque sous pression et de la coque extérieure. Dans la conception des sous-marins diesel-électriques, le réducteur est également situé dans le compartiment de propulsion.

Forme de coque d’une conception de sous-marin:

Les sous-marins les plus initiaux utilisaient une forme de coque très différente de celles utilisées dans les sous-marins modernes. L’évolution de la forme de la coque et les raisons qui la sous-tendent constituent donc un aspect intéressant de la conception des sous-marins. La forme la plus idéale d’une coque de sous-marin pour une traînée minimale est la forme aérodynamique idéale avec une proue parabolique et une poupe elliptique, comme le montre la figure 10.

Les premiers sous-marins des années 1940 utilisaient cette forme pour un besoin de puissance minimal et une séparation d’écoulement négligeable autour de la coque. Mais on a observé qu’en raison de la forme aérodynamique, le volume utilisable à l’intérieur de la coque était insuffisant, car le rayon de la coque a connu une forte diminution à partir de l’arrière et de l’avant de la région centrale du navire. Cela a non seulement maintenu les coûts de production élevés, mais a également affaibli la possibilité d’incorporer plusieurs niveaux de pont.

La forme de coque utilisée dans les sous-marins modernes (depuis la fin des années 1970) est le corps intermédiaire cylindrique long avec une proue et une poupe elliptiques.

Bien que le fait de s’écarter de la forme aérodynamique idéale augmente la traînée et les besoins en puissance subséquents, les coûts supplémentaires en carburant pendant la durée de vie du sous-marin sont compensés par les faibles coûts de production, puisque les sections cylindriques sont beaucoup moins chères et plus faciles à construire. Cette forme permet également l’incorporation de plusieurs ponts dans le même volume de coque, donc assure une utilisation plus spatiale.

Il est important de savoir que la forme et la géométrie de la coque d’un sous-marin est un point de départ important de la conception car elle ne dicterait pas seulement le point susmentionné mais affecterait également une série d’autres facteurs du sous-marin comme discuté ci-dessous.

Une forme de coque cylindrique augmente la manœuvrabilité du sous-marin en raison de forces hydrodynamiques plus importantes générées par l’action de l’hydroplane. Il a également été observé que la traînée globale minimale sur la coque et les meilleures caractéristiques de manœuvrabilité sont obtenues pour des rapports longueur/largeur allant de 6 à 8.

Le diamètre du sous-marin est décidé principalement en fonction de la longueur. Et la longueur est fixée en fonction du volume de la coque sous pression et du déplacement requis du sous-marin. Les ponts multiples augmentent l’utilisabilité du volume de la coque de pression, et le nombre de niveaux de pont possibles dans un sous-marin est décidé principalement par son diamètre.

Un sous-marin avec un seul pont aurait deux niveaux dans sa coque de pression. Les sous-marins dont le diamètre de la coque est compris entre 4 et 7 mètres sont limités à un seul pont. Il permettrait deux niveaux accessibles – sous le niveau du pont et au-dessus du niveau du pont, comme le montre la figure ci-dessous.

Des ponts doubles avec trois niveaux accessibles sont possibles dans les sous-marins avec un diamètre de coque allant de 7 à 8 mètres. Les sous-marins diesel-électriques de grande taille sont généralement de cette dimension.

Des ponts triples et des conceptions de pont dour sont utilisés pour des diamètres de coque allant de 9 à 11 mètres et de 11 à 13 mètres. De tels grands diamètres sont utilisés principalement dans les sous-marins à propulsion nucléaire où un grand espace vertical est nécessaire pour la centrale nucléaire.

Avec les aspects de la conception des sous-marins discutés dans cet article, le point discutable à extraire est que, ayant connu les parties et les fonctions du sous-marin et de ses systèmes, l’art et la compétence d’un bon concepteur résident dans l’essai d’atteindre une efficacité volumétrique maximale pour une conception.

Il y a des espaces à l’intérieur du sous-marin dont le volume peut être très spécifique (par exemple, les ballasts principaux), alors que d’autres peuvent n’avoir que quelques dimensions spécifiques (par exemple, le banc de batteries). Il y aurait également des cas où il y a des demandes volumétriques spécifiques, mais pas de forme spécifique (par exemple les réservoirs d’opération des torpilles et les réservoirs de ballast principal). En fonction de ces demandes, un bon concepteur prioriserait les étapes de la conception et les paramètres qui sont fixés à chaque étape.

L’un des aspects les plus vitaux de la conception d’un sous-marin est sa stabilité. Bien que cela puisse sembler simple par rapport aux navires, la compréhension de la stabilité d’un sous-marin est plus complexe que celle d’un navire, car il fonctionnerait à la fois, en surface et en immersion.

Et les paramètres de stabilité d’un sous-marin changent radicalement au moment où il plonge dans l’eau ou refait surface, ce qui donne lieu à un point où le sous-marin est au point de basculement du flottement. Comment et pourquoi, c’est ce que nous aborderons dans le prochain article.

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